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極音速

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X-43A試驗機於7馬赫速度之下的計算流體力學(CFD)模擬圖。
超聲速氣流進入引擎被加速至極音速的概念圖

極音速(hypersonic,亦稱超高音速),空氣動力學名詞,意指速度較超音速還高出許多的狀態。在1970年代,這個詞通常指5馬赫(5倍音速)或更高的速度。極音速流態(hypersonic regime)是超音速流態的分支。

超音速氣流與次音速氣流性質迥異。當一飛行器加速到超音速,路徑中幾乎所有的空氣特性劇烈地改變。不過儘管有如此明顯的界線,對於「超音速」的定義仍有一些爭議。其中一個定義是整架飛行器各部份速度皆在1馬赫或之上。更技術性地定義指出:整架飛行器周遭的所有氣流速度皆是超音速才能稱作是超音速,這樣的情形對尋常設計的飛行器來說,通常是出現在1.2馬赫上下。0.8到1.2馬赫的範圍因此稱作穿音速

考慮到連超音速的簡單定義都有爭議,就不會對「定義極音速是更加困難」這件事感到意外,因為成為「極音速」並不會有任何氣流的物理性質改變。一般來說,在5馬赫附近,一些效應的組合整體來說變得重要。極音速流態常定義為衝壓發動機(ramjet)無法產生淨推力的速度。這是一個模糊的定義,因為存在有一些改裝提議,使得噴射發動機在這樣的速度範圍仍可操作,例如超音速燃燒衝壓發動機(Scramjet)。

最初構想[編輯]

幾乎所有現代軍事武器都可以在已經塵埃落定的第二次世界大戰中找到其始祖,高超聲速武器也不例外——高超聲速滑翔概念的最初源頭甚至還要更早一些。

在兩次世界大戰期間,納粹德國在佩內明德測試新型大炮,這其中就包括一系列大口徑遠程列車炮。當時德國對用次口徑炮彈提高射程很感興趣,於是就用列車炮進行試驗,結果有了意外的發現。當從海拔較高的地點發射這種長杆炮彈時,一樣的砲彈和裝藥,它的射程會比在低海拔地點發射遠得多。在排除高海拔地區空氣稀薄、阻力小等因素影響後,發現射程仍要遠出不少。於是,德國科學家們大膽推測,長杆炮彈在飛行中段具備一定的「攻角」即炮彈幾何中心線和炮彈飛行方向的角度,使其在高速飛行時具備較高的升阻比,因此在特定密度的大氣中可以滑翔很遠的距離。

這個原理激發了火箭專家桑格爾的靈感,他在1940年為了滿足希特勒「跨過大西洋轟炸美國」的設想,設計了一種驚世駭俗的先進飛行器。這就是「銀鳥」空天轟炸機,這架轟炸機採用火箭發射升空,在達到極高的速度後,以特定角度撞向大氣層,在大氣層中滑翔,就像巨炮所發射的那些炮彈一樣。這就有如在大氣上衝浪,如果速度、角度合適,那麼飛機會被幾次反彈拋出大氣層,然後再重新落入大氣層。在飛到美國上空後就投擲炸彈轟炸目標,然後繼續飛行,著陸在日本控制的太平洋島嶼上。

1948年,有一個人在研究了繳獲的德國技術資料後,提出了一個新設想。他就是當時還是美國陸軍上校的錢學森。他的方案與桑格爾不同,認為只要有足夠先進的熱防護技術,就能讓飛行器在特定的高度層以高超音速持續滑翔飛行。除了熱防護,這種飛行方式也需要飛行器具有更好的高速升阻比特性。他所提出的彈道,被人們稱為「錢學森彈道」(也叫「助推-滑翔」彈道),按照他的理論計算,採用這種方式可以將彈道飛彈的射程提高一倍。

實踐[編輯]

在21世紀前十年後世界軍事強國紛紛研發高超音速武器作為戰略威攝,由於此種武器可以讓高價部署的反飛彈防禦網形同失效,或是用以攻擊該防禦網設施,讓後續傳統飛彈發揮戰力。目前達到高超音速的飛行方法有三種,三種都是無人飛行器,因為攜帶支援人類生存的駕駛艙太大太重超過目前科技;人體也無法承受其飛行過程。

  • 彈道飛彈的彈頭飛具,經設計後能在最後重返下落階段達到高超音速。
  • 使用超音速燃燒衝壓發動機的無人飛行器。[1]
  • 航行在太空的無人太空梭,除在太空軌道時相對地面運動速度可視為高超音速,重返下落階段也有可能。

俄羅斯[編輯]

2019年12月,俄羅斯宣布首款「先鋒」(Avangard)極音速飛彈開始服役,成為世界上第一個宣稱有可操作極音速武器的國家[2]

美國[編輯]

美國目前在三個領域研發有較公開資料

  • 第一項彈道飛彈技術較簡單美中俄三國皆已有成功作品,早期美國X-43實驗體已經達成。[3]
  • 第二項美國採用X-51驗證目前失敗率極高,最長的一次超燃機只點火了5分鐘。[4]
  • 第三項則是無人太空梭X-37B於2012-14年間環繞軌道兩年試飛,但重返大氣時不是高超音速目前只能視為無人太空梭

2020年3月20日,美國成功測試一款未搭載武器的極音速飛彈原型[2]

中國[編輯]

同時中國研發成果也長期受到國際關注,首先WU-14彈頭的出現表示解放軍已經完成彈道飛彈方案的實踐,同時少量曝光的神龍空天飛機表示另一方案也在進行,該裝置首次曝光是掛載於轟六轟炸機下方而非裝於運載火箭上,表示可能是超燃機方案而非太空梭方案,但其外型又類似X-37而非X-51所以引起不少疑問。而2015年10月上海電視台紀實頻道的軍事節目專題報導披露一則怪異報導,表示9月中一架特殊的國產試驗機完成試飛,該飛機「剖面特殊、飛行方式獨特、飛行速度高度遠超史上所有試飛機型」之後成功降落,試飛中心一陣歡呼。該報導早先是以文字平面方式公開,上海電視台該期談話節目則以引用該報導的方式展開討論,先前此消息傳出國際上就有美俄專家存疑因為若有一種非彈道飛行器能在大氣中飛行,不論自力起飛或轟炸機攜帶,之後可控下達成高超音速再成功減速降落機場,無疑是遠超過這時代的科技。該期節目中的航太專家以個人非官方看法表示這飛機應該就是神龍計劃的後續機型,同時他突然意外表示其實中國對高超音速有一套自己的心得[5],北京航空太空大學有一教授曾發表過「沙丘助渦」的獨特空氣動力論文,可以操縱次音速氣旋阻擋高超音速氣旋解決點火問題。

2019年10月,在中華人民共和國建國70周年閱兵式上,中國人民解放軍展示了東風17型高超音速滑翔載具[2]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 觀察者網-高音速之謎. [2015-06-19]. (原始內容存檔於2015-06-19). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 美国奋起直追中俄 测试极音速飞弹成功. [2020-03-21]. (原始內容存檔於2020-03-21). 
  3. ^ Boeing X-51A WaveRider Sets. [2015-10-23]. (原始內容存檔於2016-03-04). 
  4. ^ Anderson, John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. AIAA Education Series. 2006. ISBN 1-56347-780-7. 
  5. ^ 上海电视台-中國神秘飛機. [2017-12-30]. (原始內容存檔於2017-12-31). 

外部連結[編輯]